2. Термодинамическое равновесие и квазистатические процессы.

Состояние любой системы может быть задано с помощью ряда параметров. Например, для газа это давление, объем и температура: (р,V,Т). Состояние, при котором во всех точках системы все параметры имеют одно и то же значение и остаются постоянными при неизменных внешних условиях, называется равновесным. Система может находиться в равновесном состоянии сколь угодно долго. В неравновесном состоянии параметры либо не постоянны, либо вообще не определены.

Пусть внешние условия слегка изменились. Опыт говорит о том, что система постепенно перейдет в новое состояние равновесия. Это утверждение настолько важно, что носит название 0-го начала термодинамики:

Для каждой термодинамической системы существует состояние термодинамического равновесия, которого она при фиксированных внешних условиях достигает.

Фактически 0-е начало постулирует существование такого параметра, как температура.

Если внешние условия изменяются достаточно медленно, то система успевает достигнуть состояния равновесия. Процесс, протекающий в термодинамической системе, будет представлять из себя ряд последовательных равновесных состояний. Такой медленный процесс называется равновесным (квазистатическим). Напротив, быстропротекающие процессы являются неравновесными.

Система может вернуться обратно в исходное состояние через те же равновесные состояния, т.е. равновесный процесс обратим. Неравновесный процесс необратим. Очевидно, что равновесный обратимый процесс – идеализированная модель, а все реальные процессы неравновесны и необратимы.

Термодинамика равновесных процессов хорошо разработана. В настоящее время активно изучаются именно неравновесные, нелинейные процессы, что приводит к наиболее интересным результатам.

3. Понятие температуры.

Температура впервые осознается человеком как степень нагретости тела. Но такие ощущения субъективны и не могут быть взяты за количественные характеристики состояния тел (систем). Объективные критерии появились лишь с созданием теплоизмерительных приборов – термометров, в которых используются такие явления, как расширение тел при нагревании, изменение их электрических свойств и т.п. Приведем сравнение самых употребительных температурных шкал:

Шкала	Абсолютный нуль	Температура плавления льда	Температура кипения воды
Кельвина	0 К	273 К	373 К
Цельсия	-273оС	0оС	100оС
Фаренгейта	-459оF	32оF	212оF
Реомюра	-218.5oR	0оR	80оR

Долгое время естествоиспытатели не разделяли температуру и теплоту, которую, в свою очередь, считали либо веществом, либо состоянием. В 1755 г. М.В.Ломоносов впервые указал, что температура – степень теплоты – определяется скоростью движения частиц, а количество теплоты зависит от общего количества движения этих частиц, т.е. от кинетической энергии. В настоящее время общеизвестно, что

,

т.е. термодинамическая температура с точностью до постоянного множителя ( ) равна средней кинетической энергии поступательного движения молекулы.

Итак, в равновесных системах Т0. При Т+0 тепловое движение полностью прекращается, энергия системы минимальна.

До сих пор речь шла о равновесных состояниях идеального газа – физической модели, предполагающей, что молекулы представляют собой материальные точки, взаимодействующие только при соударениях. Для реальной - неравновесной системы, обладающей конечным максимальным значением энергии (с конечным числом энергетических уровней) удается ввести понятие отрицательной абсолютной температуры. Если подводить к такой системе энергию, можно добиться максимальной неравновесности, т.е. ситуации, когда все частицы окажутся в возбужденном состоянии. Это положение неустойчивого равновесия характеризуется температурой Т-0. Такое состояние называется метастабильным, и оно осуществляется, например, в лазере. Поддерживать систему в метастабильном состоянии можно, только подводя к ней энергию; предоставленная самой себе, она выйдет из этого состояния.